一种位移相关的变刚度装置的制作方法

本发明涉及工程结构抗震技术领域，尤其是涉及一种位移相关的变刚度装置。

背景技术：

近年来，结构振动控制已经成为工程抗震抗风领域最热门的减振技术之一。由于它的实用性和有效性，受到越来越多的关注。

结构控制方式主要包括被动控制、主动控制、半主动控制和混合控制。相比其他控制方式，被动控制以其构造简单可靠、无需外部能源和信号采集等特点获得广泛应用。绝大多数被动控制是通过在结构上安装被动耗能装置实现，这种做法会对结构产生附加刚度效应，这将引起结构的结构自振频率增大，受到的剪力增加。这种“以刚克刚”的控制方法，本质上与传统的增加截面尺寸的方法没有太大区别。在对主动控制的研究中，学者发现控制算法有时会给出与位移方向一致的控制力，即弱化了结构刚度，从而降低结构自振频率，增大结构阻尼比，达到减震的效果。被动变刚度装置能够根据需要强化或弱化结构刚度，通过合理的设计，可以达到更好的控制效果。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种位移相关的变刚度装置，在具有被动控制优势的前提下，还具有构造简单、残余变形小的优点，能提高建筑结构安全性能。

为了解决现有技术存在的问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种位移相关的变刚度装置，包括有支撑块、预压缩弹簧、滚轮及轨道块，所述预压缩弹簧为两根，对称连接在支撑块的两端，预压缩弹簧的另一端通过连接杆连接有滚轮，滚轮与轨道块相接触，并能够在轨道块上滑动，预压缩弹簧的预压缩量确保滚轮一直被弹力压在轨道块上，轨道块固接在基础上。

所述支撑块连接在需要减震的上部结构上。

所述支撑块通过螺栓固定在需要减震的上部结构上。

所述轨道块曲面为对称设计，中间部分为水平段，两段曲面段对称设置在水平段的两侧。

所述装置提供负刚度的取值范围为上部结构正刚度的0.55-0.75倍。

所述预压缩弹簧与上部结构位移方向垂直。

所述连接杆为T型。

所述连接杆为直角型。

本实用新型所具有的优点与有益效果是：

本实用新型一种位移相关的变刚度装置，具有如下结构：预压缩弹簧一端连接在支撑块上，另一端连接滚轮，滚轮与轨道块相接触，该结构中弹簧的预压缩量确保滚轮一直被弹力压在轨道块上，当上部结构与基础发生相对位移时，滚轮可以在轨道上滚动。由于轨道块固接在基础上，弹簧一端连接滚轮，另一端与上部结构固接，在此能够共同运动。本实用新型的变刚度装置通过滚轮在轨道上滚动所产生的负刚度力来降低结构刚度，起到隔振的作用。支撑块通过螺栓连接上部结构，使上部结构与支撑块共同运动。轨道块固接在基础上，使滚轮在轨道上滑动时轨道固定不动。在变刚度装置工作过程中，弹簧始终垂直于支撑块于弹簧连接的平面。本实用新型不仅具有被动控制的优势，而且还具有构造简单、残余变形小的优点。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细说明。

图1是本实用新型一种位移相关的变刚度装置的俯视图；

图2是本实用新型一种位移相关的变刚度装置的侧视图；

图3为本实用新型工作原理图；

图4为轨道块的立体结构图。

图中：1是支撑块；2是预压缩弹簧；3是滚轮；4是轨道块；5是连接杆；6是上部结构；7是基础；8是水平段；9是曲面段。

具体实施方式

为了进一步说明本实用新型，下面结合附图及实施例对本实用新型进行详细地描述，但不能将它们理解为对本实用新型保护范围的限定。

实施例1：

如图1、2所示，本实施例一种位移相关的变刚度装置，包括有支撑块1、预压缩弹簧2、滚轮3及轨道块4，所述支撑块1、预压缩弹簧2、滚轮3、轨道块4材质可以选用钢材、铁、铜或金属合金。

所述支撑块通过螺栓连接在需要减震的上部结构6上，轨道块固接在基础上。如图4所示，所述轨道块曲面为对称设计，中间部分为水平段8，两段曲面段9对称设置在水平段的两侧。所述预压缩弹簧为两根，对称连接在支撑块的两端，预压缩弹簧2的另一端通过T型连接杆5连接有滚轮3，滚轮3与轨道块4相接触，并能够在轨道块上滑动，预压缩弹簧的预压缩量确保滚轮一直被弹力压在轨道块上，滚轮将受到轨道块的反作用力，此反作用力在结构位移方向上的分量即为负刚度力，能够起到降低结构刚度的作用。所述预压缩弹簧始终与上部结构位移方向垂直。所述装置提供的负刚度取值范围宜为上部结构正刚度的0.55-0.75倍。当上部结构与基础7产生相对位移时，带动滚轮在轨道块上滚动。位移在图4所示的轨道块水平段以内时，变刚度装置不参与工作，受控结构保持原刚度，以防止弱激励的扰动；位移增大后，滚轮进入轨道块曲面段的下降段，被弹簧压在轨道块上的滚轮将受到轨道块的反作用力，该反作用力垂直于弹簧方向的分量即为负刚度力，能够降低结构自振频率，减小加速度响应；位移较大时，滚轮进入轨道块上升段，装置提供正刚度力，强化受控结构，防止位移过大造成破坏。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别仅在于：所述连接杆5为直角型，其余同实施例1。

本实用新型位移相关的变刚度装置属于被动控制装置范畴，利用滚轮在轨道上受到反作用力实现改变结构刚度的作用，具有简单、经济、易于实施、残余变形小等优点。使用过程中，将位移相关的变刚度装置安装在上部结构与基础之间，当受控结构在地震动或风荷载作用下产生振动时，上部结构与基础产生相对位移，从而带动滚轮在轨道上滑动，产生变刚度力达到改变结构刚度的目的。

如图3所示，本实用新型的工作原理如下：

其中：图3a为普通线性结构的力-位移曲线，其刚度为k1。图3b为本实用新型所述变刚度装置的力-位移曲线示意图，在位移小于x1时，滚轮处在轨道块水平段内，装置不提供变刚度力；位移大于x1小于x2时，滚轮处在轨道块下降段，装置将提供负刚度力；位移大于x2时，滚轮处在轨道块上升段，装置将提供正刚度力。负刚度记为kn，正刚度记为kp。将变刚度装置安装在受控结构和基础之间后，整个受控系统的力-位移曲线即为结构刚度和变刚度装置的结合，即图3a+图3b，如图3c所示，位移小于x1时受控系统保持原结构刚度，以抵抗弱激励的扰动；位移大于x1小于x2时，受控系统刚度由k1变为较小的k2，达到弱化结构的目的；位移大于x2时，受控结构刚度被强化为k3，防止结构位移过大，发生破坏。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。